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【C++那些事儿】C++内存管理 | new和delete的底层原理 | operator new与operator delete函数 | 你听说过定位new吗？| 内存泄露

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江池俊：个人主页

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个人专栏：✅C++那些事儿 ✅Linux技术宝典

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此去关山万里，定不负云起之望

文章目录

    • 1. C/C++内存分布
    • 2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
      • 【面试题】
        • malloc的实现原理？
    • 3. C++内存管理方式
      • 3.1 new/delete操作内置类型
      • 3.2 new和delete操作自定义类型
    • 4. operator new与operator delete函数
      • 4.1 operator new与operator delete函数（重点）
    • 5. new和delete的实现原理
      • 5.1 内置类型
      • 5.2 自定义类型
    • 6. 定位new表达式(placement-new)
      • 内存池简介
    • 7. 常见面试题
      • 7.1 malloc/free和new/delete的区别
    • 7.2 内存泄漏
      • 7.2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
    • 7.2.2 内存泄漏分类

1. C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{
	static int staticVar = 1;
	int localVar = 1;

	int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
	char char2[] = "abcd";
	const char* pChar3 = "abcd";
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
	free(ptr1);
	free(ptr3);
}

1. 选择题：
选项 : A.栈  B.堆  C.数据段(静态区)  D.代码段(常量区)
globalVar在哪里？__C__   staticGlobalVar在哪里？__C__
staticVar在哪里？__C__   localVar在哪里？__A__
num1 在哪里？__A__

char2在哪里？__A__       * char2在哪里？_A__
pChar3在哪里？__A__      * pChar3在哪里？__D__
ptr1在哪里？__A__        * ptr1在哪里？__B__

2. 填空题：
sizeof(num1) = __40__;
sizeof(char2) = __5__;      strlen(char2) = __4__;
sizeof(pChar3) = __4 or 8__;     strlen(pChar3) = __4__;
sizeof(ptr1) = __4 or 8__;

3. sizeof 和 strlen 区别？
sizeof 是运算符，它用于获取类型或对象在内存中的大小，
其操作数可以是一个类型、一个对象或一个类型的表达式。
strlen 是一个函数，它用于获取字符串（即以空字符 '\0' 结尾的字符数组）的长度。
它返回的是字符串中字符的个数，不包括结尾的空字符。


【说明】

  1. 栈又叫堆栈 – – 非静态局部变量/函数参数/返回值 等等，栈是向下增长的。
  2. 内存映射段是高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享共享内存，做进程间通信。
  3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
  4. 数据段 – – 存储 全局数据 和 静态数据。
  5. 代码段 – –可执行的代码/只读常量。

2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

void Test()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);

	// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);

	// 这里需要free(p2)吗？
	free(p3);
}

  1. malloc/calloc/realloc的区别是什么？
    malloc 主要是在堆上申请一块连续的内存空间，calloc 相对于 malloc 来说还会对申请的空间初始化为 0，realloc 则是对已经申请的空间进行扩容操作，分为原地扩容和异地扩容两种情况。

  2. 这里需要free(p2)吗？
    不需要，因为如果 realloc 是原地扩容的话，那么p3指向的空间就是p2指向的空间，如果是异地扩容的话，p2在扩容时就会被释放。

【面试题】

malloc的实现原理？

glibc中malloc实现原理

malloc的实现原理涉及操作系统的内存管理，并且通常在不同的操作系统和平台上有所不同。但是，一般来说，它的工作原理大致如下：

  1. 查找空闲内存块：当malloc被调用时，它会首先查找一个足够大的空闲内存块来满足请求。这个查找过程通常涉及一个数据结构（如链表或树），该数据结构记录了系统中所有可用的内存块。
  2. 分割空闲内存块：如果找到了一个足够大的空闲内存块，malloc会将其分割成两部分：一部分用于满足当前的内存请求，另一部分（如果有的话）作为新的空闲内存块保留。
  3. 更新内存管理数据结构：malloc会更新其内部的数据结构，以反映新的内存分配情况。这可能包括添加新的空闲内存块，更新已分配内存块的信息，或删除不再需要的空闲内存块。
  4. 返回内存地址：最后，malloc返回指向新分配的内存块的指针。这个指针可以被程序用来存储数据。

3. C++内存管理方式

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方就无能为力，而且使用起来比较麻烦，因此C++又提出了自己的内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。

3.1 new/delete操作内置类型

void Test()
{
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* ptr4 = new int;

	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr5 = new int(10);

	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[10];
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
}

注意：申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]，注意：匹配起来使用。

3.2 new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}

private:
	int _a;
};

int main()
{
	// new/delete 和 malloc/free最大区别是：
	// new/delete对于【自定义类型】除了开空间还会调用构造函数和析构函数
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1); 
	free(p1); 
	delete p2;

	// 内置类型是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;

	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;

	return 0;
}

注意：
在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。

4. operator new与operator delete函数

4.1 operator new与operator delete函数（重点）

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，operator new 和operator delete是系统提供的 全局函数，new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间。

/*
operator new：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间
失败，尝试执行空间不足应对措施，如果该应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。
*/
void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	// try to allocate size bytes
	void* p;
	while ((p = malloc(size)) == 0)
		if (_callnewh(size) == 0)
		{
			// report no memory
			// 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常
			static const std::bad_alloc nomem;
			_RAISE(nomem);
		}
	return (p);
}

/*
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
*/
void operator delete(void* pUserData)
{
	_CrtMemBlockHeader* pHead;

	RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));

	if (pUserData == NULL)
		return;

	_mlock(_HEAP_LOCK);  /* block other threads */
	__TRY

		/* get a pointer to memory block header */
		pHead = pHdr(pUserData);

		/* verify block type */
		_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));

		_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);

	__FINALLY
		_munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */
	__END_TRY_FINALLY

	return;
}

/*
free的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述两个全局函数的实现知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间，如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

因此，实际上operator new 是对 malloc 的封装，operator delete 是对 free 的封装（他们的用法是一样的）。


5. new和delete的实现原理

5.1 内置类型

如果申请的是内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本类似，不同的地方是：new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请的是连续空间，而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

5.2 自定义类型

  • new的原理
    1. 调用 operator new 函数申请空间
    2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
  • delete的原理
    1. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
    2. 调用 operator delete 函数释放对象的空间
  • new T[N]的原理
    1. 调用 operator new[] 函数，在 operator new[] 中实际调用 operator new 函数完成 N 个对象空间的申请
    2. 在申请的空间上执行 N 次构造函数
  • delete[]的原理
    1. 在释放的对象空间上执行 N 次析构函数，完成 N 个对象中资源的清理
    2. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

6. 定位new表达式(placement-new)

定位new表达式是在已分配的原始内存空间中（显示）调用构造函数初始化一个对象。

  1. 使用格式：

    • new (place_address) type 或者 new (place_address) type(initializer-list)
    • place_address 必须是一个指针，initializer-list 是类型的初始化列表

  2. 使用场景：
    定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为 内存池只有内存，从内存池中分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

内存池简介

C++内存池（Memory Pool）是一种自定义的内存管理机制，用于优化频繁分配和释放小块内存的性能。在许多情况下，使用标准的new和delete运算符进行动态内存分配和释放可能过于昂贵，特别是在对象很小且分配/释放操作非常频繁的情况下。内存池通过预先分配一大块内存，并在其中快速分配和回收小块内存，从而减少了内存分配的开销。

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

// 定位 new/replacement new
int main()
{
	// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A;  // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
	p1->~A();
	free(p1);
	
	
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	
	return 0;
}

7. 常见面试题

7.1 malloc/free和new/delete的区别

共同点：

都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。

不同点：

  1. malloc和free是函数，new和delete是操作符
  2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
  3. malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可，如果是多个对象，[]中指定对象个数即可
  4. malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型
  5. malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需要捕获异常
  6. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数与析构函数，而 new在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理

7.2 内存泄漏

7.2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。

内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

举个栗子：

void MemoryLeaks()
{
	// 1.内存申请了忘记释放
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = new int;

	// 2.异常安全问题
	int* p3 = new int[10];

	Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.

	delete[] p3;
}

7.2.2 内存泄漏分类

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

  • 堆内存泄漏(Heap leak)
    堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。
  • 系统资源泄漏
    指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

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